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如何提高熔模铸造模料的使用寿命 |
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作者：北京正大德技术开发中心 马锦樱 |
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摘 要 介绍模料的主要组元松香和石蜡的特性，指出模料在使用过程中应符合其特性要求，才能达到延长模料使用寿命的目的。
关键词：寿命 变质 气化热
国内外精铸用模料仍以石蜡和松香作为主要组元。为提高模料寿命，应该了解石蜡、松香的特性。
1 模料主要组元的特性
作为模料主要组元之一的蜡是指固体烷烃蜡，其分子式为CnH2n+2，其中常用的固体蜡n=24～30。烷烃蜡在室温下是非常稳定的，烷烃蜡在100 ℃以上会氧化，尤其在一些催化剂存在时(例如硼、铝、铁、钴、钾和钠等金属的盐类)，烷烃蜡的氧化反应会自动进行，而且随着温度的升高而加剧，它的氧化过程是一种自由基的链式反应。烷烃蜡通过光、热及催化剂等的引发，形成烷基自由基(CnH2n+1)。烷烃蜡自由基与氧反应形成氧化物自由基R-OO； 这种自由基又与烷烃分子R-H反应， 形成氢过氧化物R-OOH。链式氧化反应的结果使碳-碳链断裂，并生成低分子量的脂肪酸、醇、二元羟酸、水等产物。根据烷烃蜡氧化的机理，国外有些工厂使用烷烃蜡作原料，通过锰、铁等催化剂的作用生产脂肪酸及脂肪酸的酯，其反应就是在105～120℃的温度下进行的。
由此说明，烷烃蜡的使用温度应不超过100 ℃，否则烷烃蜡会氧化并生成低分子氧化物，使模料改变原有性能。
模料中另一主要组元松香，其分子式为C20H30O20，它由85%～88%的树脂酸，2%～5%的脂肪酸及5%～7%的中性物(非酸性组分)组成，而树脂酸又是由多种不同的同分异构体组成。其中枞酸型树脂酸约占整个树脂酸的76%～86%(因产地而异)。枞酸型树脂酸具有共厄双键结构，其性能最不稳定，最易氧化，造成松香具有易氧化和易结晶的特性。
松香在大气中即会氧化，尤其在较高温度或呈粉末状时更易氧化，雾状松香粉尘的自燃点为130 ℃。而松香的结晶在下列条件下均会发生：(1)在加热温度大于155 ℃的过程中会发生同分异构变化，改变了松香的树脂酸组成，造成结晶的内在因子存在；(2)松香在冷却过程中，在105～120 ℃温度下停留时间过长，极易产生结晶，并使晶粒长大；(3)水对松香结晶有特别大的影响，水的作用在于枞酸型树脂酸分子在水柱表面定向，形成结晶条件。
松香的氧化及结晶，使松香的颜色加深、发暗、浑浊，粘度增大，失去了松香原有的性能，必然也导致模料品质的恶化。
2 脱蜡方法的选择
根据对模料主要组元石蜡和松香的特性分析，可以知道使用模料应注意的两个问题。
(1) 模料熔化温度不应超过100 ℃，而且不宜在大于100 ℃的温度下搅拌。
(2) 脱蜡方法及脱蜡温度的选择。
对传热脱蜡法和蒸气脱蜡法两种方法进行比较。式(1)为传热脱蜡之经验式。 (1)
式中Q/t—— 单位时间的热量(模料接受的)，J/s
K —— 陶瓷模壳的热导率,W/(m.k)
A —— 模壳的表面积,m2
X —— 模壳厚度(硅溶胶模壳一般为0.6 cm)
T2-T1 —— 模壳内外表面的温度差,K
我们将模壳置于一锅内，锅内温度是120 ℃。模壳热导率为1.256 W/(m.K)。
按式(1)计算出每秒通过模壳热量是1.989 J。已知蜡的比热容为2 093.4 J/(kg.K)，松香的比热容为2260.8 J/(kg.K)。可见如果仅用热传导脱蜡，以120 ℃时炉子的热量是不足以熔化模料的。高温蒸气脱蜡的原理是蒸气通过模壳冷却时释放气化热使模组表面迅速受热而熔化，因此蒸气脱蜡可以按式(2)计算每秒通过模壳的热量。
我们以通入高压锅中0.2 MPa的蒸气压来计算(0.2MPa的蒸气压相当于120℃时水蒸气的压力) (2)
式中：L —— 水的气化潜热(在0.2 MPa蒸气压力下为2.198 kJ)
m —— 每秒通过模壳的蒸气质量，kg (3)
V —— 每秒通过模壳的空气体积，mL
Vs —— 蒸气体积密度(在0.2MPa压力下体积密度为824 mL/g)
k —— 陶瓷模壳的透气性,mL/(s.cm4)
P2-P1 —— 模壳内外表面的压力差，MPa
由式(2)可以得出，强力通过模壳的蒸气质量同穿过陶瓷模壳壁的压力成正比。作为最初的近似值，该压力差可以被认为是蜡料开始熔化时高压锅内的蒸气压力，此时k=0.01 mL/(s.cm4)，X=0.6 cm,P2-P1=0.2 MPa，用式(3)计算得出mL=88.928 J，由方程(2)得出：
由以上两种脱蜡方式的比较可知，在高压蒸气锅中通过模壳传递热量的作用是很少的，而来自蒸气的气化热却有很大的作用。经计算说明通入0.2 MPa(约120 ℃)蒸气的气化热是传导热量的40多倍，足以将模壳中的蜡脱出。
蒸气脱蜡的优点在于不需用很高温度，这对保持模料性能有好处，可延长模料的使用寿命。
蒸气脱蜡所需时间随模组的大小、形状而定，在某种程度上取决于陶瓷模壳的孔隙度，根据经验对1kg的模组用5～10 min,3 kg的模组用10～15 min。
3 模料回收
将使用过程中混入的各种杂质，如砂粒、粉尘和水分除去，应按下列方法处理以延长模料使用寿命。
刚脱出的模料在沸腾状态下与水相混，首先应静止冷却除水，待蜡液和水分离后，将水放掉。把放去水的蜡液加热至120 ℃以下，使模料中的水分蒸煮干净，蜡液无水泡、无爆声，出现镜面为止。为了加快水分的蒸发，可用强力抽风机，将蒸发的水气抽掉。再将蜡液输入离心式分离器，进行离心分离处理，以除去杂质(或者用筛网过滤)。然后进入保温槽，温度应不超过80 ℃，检验蜡料性能合格后，则继续使用，不合格，则加入20%～30%新料进行调整。
这里需要特别指出，在回收模料时不应在100 ℃以上搅拌，尤其不能带水搅拌。
4 结束语
为提高模料使用寿命，应严格按下述要求进行：
(1) 模料熔化温度不超过100 ℃，脱水时不应超过120 ℃；
(2) 不在80 ℃以上带水搅拌模料。
作者简介：马锦樱，女，1932年出生，高级工程师，北京市81号信箱3分箱(100095)
作者单位：马锦樱 北京正大德技术开发中心(end)
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(2/23/2005) |
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